2023学年完整公开课版力学实验

力学实验1实验一：研究匀变速直线运动2实验二：探究弹力和弹簧伸长的关系3实验三：验证力的平行四边形定则4实验四：验证牛顿运动定律5实验五：探究动能定理6实验六：验证机械能守恒定律1学会正确使用的仪器主要有：刻度尺、天平、秒表、电火花计时器、电磁打点计时器、弹簧测力计等2理解各实验原理，并能根据实验原理进行正确的实验操作还要会一些简单的创新实验3掌握常用的实验方法，例如控制变量法、图象法处理数据4了解误差的概念，知道系统误差和偶然误差；知道多次测量求平均值的方法减小偶然误差；能在力学实验中分析误差的主要何采取措施尽可能地减小误差5知道有效数字的概念，会用有效数字表达直接测量的结果,间接测量的有效数字运算不作要求研究匀变速直线运动1实验原理对打点计时器的认识:1作用：计时仪器，每隔002s打一次点2工作条件：电磁打点计时器：4～6V低压交流电;电火花计时器：220V交流电3纸带上点的意义：表示和纸带相连的物体在不同时刻的位置；通过研究纸带上各点之间的间隔，可以判断物体的运动情况2利用纸带判断物体是否做匀变速直线运动的方法1沿直线运动的物体在连续相等时间间隔的不同时刻的速度分别为v1、v2、v3、v4、…，若v2－v1＝v3－v2＝v4－v3＝…，则说明物体在相等时间内速度的增量相等，由此说明物体在做匀变速直线运动，即加速度恒定不变2沿直线运动的物体在连续相等时间内的位移分别为1、2、3、4…，若Δ＝2－1＝3－2＝4－3＝…，则说明物体在做匀变速直线运动，且Δ＝aT23利用纸带数据求解速度、加速度的方法1“平均速度法”求某点瞬时速度，即如图所示2“逐差法”求加速度，即然后取平均值，即这样使所给数据全部得到利用，以提高准确度3“图象法”求加速度，即由“平均速度法”求出多个点的速度，画出v-t图象，直线的斜率即代表加速度4数据处理及实验结论由实验数据得出v-t图象1根据表格中的v、t数据，在平面直角坐标系中仔细描点，如图所示，对于每次实验，描出的几个点都大致落在一条直线上2作一条直线，使同一次实验得到的各点尽量落到这条直线上，落不到直线上的点，应均匀分布在直线的两侧，这条直线就是本次实验的v-t图象，它是一条倾斜的直线【名师点睛】1开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器2先接通电源，计时器工作后，再放开小车，当小车停止运动时及时断开电源3要防止钩码落地和小车跟滑轮相撞，在小车到达滑轮前及时用手按住它4牵引小车的钩码个数要适当，以免加速度过大而使纸带上的点太少，或者加速度太小，而使各段位移无多大差别，从而使误差增大，加速度的大小以能在50cm长的纸带上清楚地取得六、七个计数点为宜【状元心得】1要区别计时器打出的点与人为选取的计数点一般在纸带上每隔四个点取一个计数点，即时间间隔为T＝002×5s＝01s2多测几组数据，尽量减小偶然误差研究匀变速直线运动【典例1】2012·山东高考某同学利用图甲所示的实验装置，探究物块在水平桌面上的运动规律物块在重物的牵引下开始运动，重物落地后，物块再运动一段距离停在桌面上尚未到达滑轮处从纸带上便于测量的点开始，每5个点取1个计数点，相邻计数点间的距离如图乙所示打点计时器电源的频率为50H1通过分析纸带数据，可判断物块在两相邻计数点____和_____之间某时刻开始减速2计数点5对应的速度大小为_____m/s，计数点6对应的速度大小为______m/s保留三位有效数字3物块减速运动过程中加速度的大小为a=_____m/s2，若用来计算物块与桌面间的动摩擦因数g为重力加速度，则计算结果比动摩擦因数的真实值_____选填“偏大”或“偏小”探究弹力和弹簧伸长的关系1实验原理1如图所示，在弹簧下端悬挂钩码时弹簧会伸长，平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码的重力大小相等2弹簧的长度可用刻度尺直接测出，伸长量可以由拉长后的长度减去弹簧原来的长度进行计算这样就可以研究弹簧的弹力和弹簧伸长量之间的定量关系了2要点步骤1将弹簧的一端挂在铁架台上，让其自然下垂，用刻度尺测出弹簧自然伸长状态时的长度l0，即原长2如图所示，将已知质量的钩码挂在弹簧的下端，在平衡时测量弹簧的总长并测出钩码的重力，填写在表格里1234567F/Nl/cmx/cm3改变所挂钩码的质量，多次重复前面的实验过程4以弹力F大小等于所挂钩码的重力为纵坐标，以弹簧的伸长量为横坐标，用描点法作图3实验改进在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中，也可以不测量弹簧的自然长度，而以弹簧的总长作为自变量，弹力为函数，作出弹力随弹簧长度的关系图线这样可避免因测弹簧的自然长度而带来误差【名师点睛】一、实验操作时注意以下三点1所挂钩码不要过重，以免弹簧被过分拉伸，超出它的弹性限度要注意观察，适可而止2每次所挂钩码的质量差尽量大一些，从而使坐标系上描的点尽可能稀，这样作出的图线精确3测弹簧长度时，一定要在弹簧竖直悬挂且处于平衡状态时测量，以免增大误差二、处理数据时注意以下两点1记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位2按照图中各点的分布与走向，尝试作出一条平滑的曲线包括直线，所描的点不一定正好都在这条曲线上，但要注意使曲线两侧的点分布大致均匀,切忌画成折线52010·福建高考某实验小组研究橡皮筋伸长与所受拉力的关系实验时，将原长约200mm的橡皮筋上端固定，在竖直悬挂的橡皮筋下端逐一增挂钩码质量均为20g，每增挂一只钩码均记下对应的橡皮筋伸长量；当挂上10只钩码后，再逐一把钩码取下，每取下一只钩码，也记下对应的橡皮筋伸长量根据测量数据，填选项前的字母成正比，而减挂钩码时Δl与F不成正比B当所挂钩码数相同时，增挂钩码时橡皮筋的伸长量比减挂钩码时的大C当所挂钩码数相同时，增挂钩码时橡皮筋的伸长量与减挂钩码时的相等D增挂钩码时所挂钩码数过多，导致橡皮筋超出弹性限度【解析】选D增挂钩码时图线为曲线，Δl与F不成正比，故A不正确当所挂钩码数相同时，即F相同时，由图象可知增挂钩码时橡皮筋的伸长量比减挂钩码时的小,是因为增挂钩码时所挂钩码数过多，超出了橡皮筋的弹性限度，故B、C不正确,D正确验证力的平行四边形定则1实验原理1等效法：一个力F′的作用效果和两个力F1、F2的作用效果相同，就是让同一条一端固定的橡皮条伸长到同一点，所以力F′就是这两个力F1和F2的合力，作出力F′的示意图，如图所示2平行四边形法：根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的示意图3验证：比较F和F′的大小和方向是否相同，若在误差允许的范围内相同，则就验证了力的平行四边形定则2要点步骤1在水平桌面上平放一块方木板，在方木板上铺一张白纸，用图钉把白纸固定在方木板上2用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点，在橡皮条的另一端拴上两条细绳，细绳的另一端各系上细绳套3用两个弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，将结点拉到某一位置O，如图所示4用铅笔描下O点的位置和两条细绳的方向，读出并记录两个弹簧测力计的示数5用铅笔和刻度尺在白纸上从O点沿两条细绳的方向画直线，按一定的标度作出两个力F1和F2的图示，并以F1和F2为邻边用刻度尺和三角板作平行四边形，过O点的平行四边形的对角线即为合力F6只用一个弹簧测力计，通过细绳把橡皮条的结点拉到同样的位置O，读出并记录弹簧测力计的示数，描下细绳的方向，按同一标度用刻度尺从O点作出这个力F′的示意图7比较F′与用平行四边形定则求出的合力F的大小和方向，看它们在实验误差允许的范围内是否相等8改变F1和F2的大小和方向，再做两次实验3实验改进本实验用一个弹簧测力计也可以完成，具体操作如下：1把两条细绳中的一条细绳与弹簧测力计连接，另一条细绳用手直接抓住，然后同时拉这两条细绳，使结点至O点，记下两条细绳的方向和弹簧测力计的示数F12放回橡皮条后，将弹簧测力计连接到另一细绳上，再用手抓住另一条细绳，同时拉这两条细绳，使结点至O点，并使两条细绳位于记录下来的方向上，读出弹簧测力计的示数F2其他步骤与提供两只弹簧测力计时相同这种操作的优点是能减小因两弹簧测力计的不同而带来的误差，但实验过程稍麻烦【状元心得】验证力的平行四边形定则的实验体现了物理等效替代的思想，所以本节实验要牢牢控制好效果相同【名师点睛】1注意事项1同一实验中的两只弹簧测力计的选取方法是：将两只弹簧测力计调零后互钩对拉，若两只弹簧测力计在对拉过程中，读数相同，则可选；若读数不同，应调整或另换，直至相同为止2在同一次实验中，使橡皮条拉长时，结点O位置一定要相同3用两只弹簧测力计钩住绳套互成角度地拉橡皮条时，夹角不宜太大也不宜太小，在60°～100°之间为宜4读数时应注意使弹簧测力计与木板平行，并使细绳套与弹簧测力计的轴线在同一条直线上，避免弹簧测力计的外壳与弹簧测力计的限位孔之间有摩擦读数时眼睛要正视弹簧测力计的刻度，在合力不超过量程及橡皮条弹性限度的前提下，拉力的数值尽量大些5细绳套应适当长一些，便于确定力的方向不要直接沿细绳套的方向画直线，应在细绳套末端用铅笔画一个点，去掉细绳套后，再将所标点与O点连接，即可确定力的方向6在同一次实验中，画力的图示所选定的标度要相同，并且要恰当选取标度，使所作力的图示稍大一些2误差分析1弹簧测力计本身的误差2读数误差和作图误差3两分力F1、F2间的夹角θ越大，用平行四边形定则作图得出的合力F的误差ΔF也越大【典例3】2011·江苏高考某同学用如图所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”，弹簧测力计A挂于固定点P，点，手持另一端向左拉，的示数，并在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和拉线的方向1本实验用的弹簧测力计示数的单位为N，图中A的示数为______N2下列不必要的实验要求是_____所受的重力B弹簧测力计应在使用前校零C拉线方向应与木板平面平行D改变拉力，进行多次实验，每次都要使O点静止在同一位置3某次实验中，该同学发现弹簧测力计A的指针稍稍超出量程，请您提出两个解决办法36D答：使B拉力减小；减小M的重力大小；A换成量程更大的弹簧测力计或改变B的拉力方向等验证牛顿第二定律1实验原理探究加速度a与力F及质量M的关系时，应用的是控制变量法，即先控制一个参量——小车的质量M不变，讨论加速度a与力F的关系，再控制砝码和小盘的质量不变，即力F不变，改变小车质量M，讨论加速度a与M的关系2要点步骤1用天平测出小车和小盘的质量M和M′，把数值记录下来2按照如图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上即不给小车施加牵引力3平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，反复移动木块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态，这时小车拖着纸带运动时受到的阻力恰好与小车所受重力在斜面方向上的分力平衡4把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘，先接通电源再放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点打点完成后切断电源，取下纸带，在纸带上标上纸带号码5保持小车及车内砝码的质量不变，在小盘内放入质量为m′的砝码，重复步骤46在小盘内分别放入质量为m″、…的砝码，再重复步骤4m′、m″、…的数值都要记录在纸带上或表格内7在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标明计数点，测量计数点间的距离，算出每条纸带上的加速度的值8用纵坐标表示加速度，横坐标表示力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点若这些点在一条直线上，便证明了加速度与作用力成正比9保持砝码和小盘的质量不变，在小车上依次加砝码也需做好记录，重复上述步骤，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和砝码总质量的倒数，在坐标平面上根据实验结果画出相应的点，如果这些点在一条直线上，就证明了加速度与质量成反比3数据处理1把小车在不同力作用下产生的加速度填在表中实验次数加速度a/m·s-2小车受力F/N12342由以上数据画出它的a-F关系图象如图所示，通过a-F关系图象，我们可以得出小车的加速度a与力F成正比3把不同质量的小车在相同力作用下产生的加速度填在表中实验次数加速度a/m·s-2小车质量M/kg12344由以上数据画出它的图象，如图所示4实验改进本实验中可以用气垫导轨来代替长木板，这样就省去了平衡阻力的麻烦，小车的加速度也可以利用传感器，借助于计算机来处理【状元心得】控制变量法：有两个以上的参量在发生牵连变化时，可以控制某个或某些参量不变，只研究其中两个量之间的变化关系的方法这是物理学中研究问题经常采用的方法【名师点睛】1注意事项1一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是调出一个合适的斜面，使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力在平衡摩擦力时，不要把悬挂重物的细绳系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，并要让小车拖着打点的纸带运动2实验要点步骤2、3不需要重复，即整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变重物质量，还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力3每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量远大于重物质量的条件下打出只有如此，重物重力才可视为小车受到的拉力4改变拉力或小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车5作图象时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧6作图时两轴标度比例要选择适当,各量须采用国际单位这样作图线时，坐标点间距不至于过密，误差会小些2误差分析1质量的测量误差，纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差，拉线或纸带不与木板平行等造成误差2因实验原理不完善造成误差：本实验中用重物的重力代替小车受到的拉力实际上小车受到的拉力要小于重物的重力，存在系统误差重物质量越接近小车的质量，误差就越大；反之，重物质量越小于小车的质量，误差就越小3平衡摩擦力不准造成误差：在平衡摩擦力时，除了不挂重物外，其他的都跟正式实验一样比如要挂好纸带、接通打点计时器，释放小车，使小车匀速运动，匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各相邻点的距离相等【状元心得】为提高测量精度，可以采取下列措施：1应舍掉纸带上开头比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个起点2可以把每打五次点的时间作为时间单位，即从开始点起，每隔四个点标出一个计数点，而相邻计数点间的时间间隔为T＝01s3处理数据时，作的a-M图象是曲线，不能直接判断加速度与质量的关系，转换成图象，是一条过原点的直线，可直接断定加速度与质量的倒数成正比，即加速度与质量成反比【典例6】2010·山东高考请完成以下三小题某同学设计了如图所示的装置来探究加速度与力的关系弹簧测力计固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，、PQ，处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动为止，记下弹簧测力计的示数F0，以此表示滑动摩擦力的大小再将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧测力计的示数F1，然后释放木板，并用秒表记下木板运动到PQ处的时间t1木板的加速度可以用d、t表示为a＝_____；为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法是一种即可___________2改变瓶中水的质量重复实验，【典例6】2010·山东高考在桌面上画出两条平行线MN、PQ，处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动为止，记下弹簧测力计的示数F0，以此表示滑动摩擦力的大小再将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧测力计的示数F1，然后释放木板，并用秒表记下木板运动到PQ处的时间t2改变瓶中水的质量重复实验，√3用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是_______a可以改变滑动摩擦力的大小b可以更方便地获取多组实验数据c可以比较精确地测出摩擦力的大小d可以获得更大的加速度以提高实验精度√√探究动能定理1实验原理1不是直接测量对小车做功，而是通过改变橡皮筋条数确定对小车做功W、2W、3W…2由于橡皮筋做功而使小车获得的速度可以由纸带和打点计时器测出，也可以用其他方法测出这样，进行若干次测量，就得到若干组功和速度的数据3以橡皮筋对小车做的功为纵坐标，小车获得的速度为横坐标，作出W-v曲线，分析这条曲线，可以得知橡皮筋对小车做的功与小车获得的速度的定量关系2要点步骤1先用一条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车获得的速度v1，设此时橡皮筋对小车做的功为W1，将这一组数据记入表格2用两条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同，这样橡皮筋对小车做的功为W2，测出小车获得的速度v2，将数据记入表格3用3条、4条…橡皮筋做实验，用同样的方法测出功和速度，记入表格3数据处理1测量小车的速度：实验获得如图所示的纸带，为探究橡皮筋弹力做功和小车速度的关系，需要测量弹力做功结束时小车的速度，即小车做匀速运动的速度，应在纸带上测量A1、A2间的距离，则小车速度的表达式为T为打点计时器打点的时间间隔2在坐标纸上画出W-v和W-v2图线“W”以一根橡皮筋做的功为单位3实验结论：由图象可知功与物体速度变化的关系为W∝v2【名师点睛】1注意事项1平衡摩擦力很关键，将木板一端垫高，使小车重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡方法是轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否匀速运动，找到木板一个合适的倾角2测小车速度时，纸带上的点应选均匀的部分，也就是选小车做匀速运动时打出的点3橡皮筋应选规格一样的力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可，不必计算出具体数值4小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些2误差分析1误差的主要橡皮筋的拉力做功W与橡皮筋的条数不成正比2没有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角过大3利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准会带来误差验证机械能守恒定律1实验原理1本实验原理是以自由落体运动情景为载体，在自由落体运动中只有重力做功，机械能守恒，重力势能转化为动能，检验下落过程减少的重力势能是否等于增加的动能，即检验mgΔh与是否相等，若相等，即可验证机械能守恒定律2速度的测量：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点间的平均速度，即如图所示或者如图所示2要点步骤1器材安装：如图所示，将打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器与低压交流电源相连，此时电源开关应为断开状态2打纸带：把纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下方附近，先接通电源，待打点计时器打点稳定后再松开纸带，让重物自由下落，打点计时器就在纸带上打出一系列的点取下纸带，换上新的纸带重打几条3条～5条3数据处理1求瞬时速度在第一个打点上标出O，并从稍靠后的某一点开始，依次标出1、2、3、4…,并量出各点到位置O的距离h1、h2、h3、h4…,用公式计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v3、v4…2守恒验证方法一：和如果在实验误差允许的范围内，则验证了机械能守恒定律方法二：任取两点计算①任取两点A、B测出hAB，算出ghAB②算出的值③如果在实验误差允许的范围内，则验证了机械能守恒定律方法三：图象法从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出图线若在误差允许的范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律【名师点睛】1注意事项1应尽可能控制实验条件，即应满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：①安装打点计时器时，必